FUSIONE - L'energia delle stelle

[ChristinaAemiliana]

Allora, finalmente dopo tante promesse mi sono decisa a scrivere un piccolo compendio sulla fusione...

Mi ispirerò liberamente (leggi: scopiazzerò impunemente e vergognosamente) al libretto che accompagna da anni la Fusion Expo e, quando giudicherò che sia il caso di offrire qualche spunto in più, integrerò traducendo da qualche sito o affidandomi alla mia memoria e alla mia creatività...

Buona lettura!

Popolazione mondiale e fabbisogno energetico

La popolazione mondiale è passata da 3 a 6 miliardi di persone negli scorsi 40 anni e probabilmente raggiungerà i 10-12 miliardi di persone verso il 2100. Questa crescita si produrrà specialmente nei Paesi in via di sviluppo.

I risparmi energetici dei Paesi industrializzati noncompenseranno l'aumento del fabbisogno dei Paesi in fase di sviluppo: tutte le previsioni, basate su diverse ipotesi di sviluppo, indicano che attorno al 2100 il fabbisogno di energia primaria sarà raddoppiato e forse anche triplicato.

Una sorgente di energia disponibile e affidabile è indispensabile per assicurare una qualità di vita corretta.



(Nota: 1 toe = 1 tep = 12.000 kWh)



Perché la fusione?

La fusione è una delle poche alternative energetiche per il futuro a lunga scadenza.

In Europa il consumo energetico dipende in gran parte dalle importazioni (per il 46% sul totale nel 1994). Questa percentuale è destinata a crescere nei prossimi decenni. Le possibili fonti di energia che in linea di principio potrebbero soddisfare il fabbisogno energetico crescente sono:

- combustibili fossili (petrolio, idrocarburi, carbone);
- energie rinnovabili (solare, geotermica, maree, eolica, idroelettrica);
- fissione nucleare
- fusione nucleare

Le risorse di combustibili fossili sono limitate e la loro utilizzazione comporta un impatto ambientale pesante.

L'impiego su larga scala delle energie rinnovabili è difficile a causa delle loro proprietà specifiche che ne riducono la potenzialità: non sempre sono disponibili, se lo sono non sempre sono accettabili a causa del loro impatto sul territorio o del loro scarso rendimento o anche dell'elevato costo del kWh che ne deriverebbe.

La fissione nucleare potrebbe coprire una parte cospicua del fabbisogno energetico presente e futuro. Tuttavia la fissione non viene accettata facilmente dalla società e il suo futuro a lunga scadenza appare ancora incerto, anche se non nei Paesi in via di sviluppo che la stanno adottando largamente.

La fusione può fornire energia per millenni: il combustibile di base è abbondante e disponibile dappertutto (per esempio, nel mare); in più la fusione si presta molto bene alla produzione di base di energia elettrica. Inoltre la fusione comporta dei vantaggi specifici di sicurezza e di rispetto ambientale. In particolare non emette gas che producano l'effetto serra.


L'energia delle stelle

La fusione è la reazione nucleare che produce l'energia delle stelle come il Sole: nuclei di atomi leggeri si combinano, ovvero si "fondono" insieme, per formare atomi di elementi più pesanti.

Nel nucleo solare, alla temperatura di 10-15 milioni di gradi centigradi, l'idrogeno si combina per produrre elio: questa reazione fornisce l'energia che, irradiata, permette lo sviluppo della vita sulla terra.

Nel Sole il combustibile è scaldato e confinato dalla forza di gravità della stessa stella. Sulla Terra il confinamento deve essere realizzato con altri mezzi e pertanto le reazioni di fusione richiedono una temperatura di 100 milioni di gradi, dieci volte superiore a quella del nucleo solare.




Fisica del plasma: la base della ricerca sulla fusione

La fisica del plasma ha ricevuto un grande impulso nel 1928, quando Atkinson e Houtermans formularono l'ipotesi che le reazioni di fusione potevano costituire la sorgente di energia delle stelle.

I plasmi esistono in un vasto range di temperature e densità. La densità varia su 30 ordini di grandezza e la temperatura su 7 ordini di grandezza. In figura sono illustrati alcuni plasmi studiati in laboratorio e altri esistenti in natura.



Un plasma è un gas costituito da ioni ed elettroni, quindi da particelle cariche. Irving Langmuir, uno dei padri della fisica del plasma, fu il primo a introdurre la parola "plasma" per indicare un gas ionizzato.

In ogni atomo di gas neutro il numero di elettroni (carichi negativamente) che orbitano attorno al nucleo dell'atomo è pari al numero di protoni (carichi positivamente) presenti nel nucleo. Di conseguenza la perdita di uno o più elettroni ionizza l'atomo rendendolo carico positivamente.



La figura illustra un plasma di elettroni liberi e nuclei atomici liberi, ottenuto ionizzando completamente idrogeno gassoso.

Si dice che su larga scala il plasma è quasi-neutro: ciò significa che in un volume "abbastanza" grande il numero di cariche negative è uguale a quello di cariche positive, anche se tutte le cariche in realtà sono libere e non legate in modo da bilanciarsi una a una come in un gas neutro. Ciò equivale a dire che si "vedono" le separazioni di carica solo investigando su scala "abbastanza" piccola. Il discorso si quantifica in modo rigoroso introducendo il concetto di lunghezza di Debye: questa grandezza, il cui valore numerico dipende dalle caratteristiche del singolo plasma, costituisce l'ordine di grandezza al quale è necessario scendere per "vedere" delle cariche separate nel plasma.

Il plasma possiede tutte le proprietà dinamiche dei fluidi, come la turbolenza e la viscosità. Essendo formati da cariche libere, i plasmi conducono l'elettricità. Inoltre generano e sono soggetti a campi elettromagnetici. Per l'insieme di queste caratteristiche si dice che i plasmi possiedano un comportamento collettivo e cioè che il moto di ogni singola particella di plasma è influenzato da quello di tutte le altre.

Il plasma è chiamato anche il quarto stato della materia, dopo gli stati solido, liquido e gassoso.

[jumpermax]

Curioso... stavo parlando della stessa cosa con GPC in privato e avevo intenzione di introdurla nel thread sull'economia all'idrogeno.
Farei due domandine semplici semplici
Si ritiene certa la possibilità di ottenere un reattore a fusione utilizzabile per la produzione di energia ed è solo una questione di gap tecnologico?
Se si quanto la tecnologia è evoluta negli ultimi anni e quanto è lontano il traguardo? Insomma ho idea che davanti non si abbiano ancora 50 anni a disposizione forse manco 25 prima di un collasso energetico...

[ChristinaAemiliana]

Ma non era andato a dormire GPC?

Rispondo velocissimamente alle domande: sì, la fattibilità teorica della fusione è ampiamente provata, ora bisogna passare a verificare la fattibilità tecnologica e quindi provare a costruire un reattore sperimentale che abbia più o meno tutti i componenti di quello che si pensa potrà essere il reattore commerciale finale. A livello di progetto siamo pronti a provare...resta da stabilire dove costruire il reattore sperimentale e ovviamente servono fondi che si spera non saranno revocati alla prima occasione...

Quanto ci vorrà? Oh, dipende...per quanto riguarda la tecnologia non si può mai dire. Se c'è interesse e si investono risorse economiche e umane, si fanno miracoli in poco tempo...pensa ai cellulari. Al ritmo attuale potrei dire 50 anni...se rallentiamo potrebbero diventare 100...se ci mettiamo d'impegno e ci forniscono tutto il personale, le strutture e i soldi di cui abbiamo bisogno magari ne basterebbero 10...

Cmq questo era solo il primo capitolo...domani ce ne saranno altri...

[Lucio Virzì]

Mi iscrivo

[Zebiwe]

Esposizione chiara e ben fatta..inutile dire che concordo sulla necessità di puntare decisamente in questa direzione...

Byezz

[gpc]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana
Ma non era andato a dormire GPC?

Sì... e no... avrei voluto ma non ho potuto...
Ma è stato nel pomeriggio che ne avevamo parlato.
Lui ha iniziato a dire "ah! guarda qua! Il sole consuma milioni di tonnellate di idrogeno per produrre energia e noi niente! Sappiamo perfettamente come funziona la fusione e non la riusciamo a fare! " e io gli ho risposto "Ah beh, il sole, hai detto niente... Lo so che voi radicali volete sempre sostituirvi al Creatore, ma certe volte, anche solo per motivi pratici, non è facile "...

[gpc]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana
Cmq questo era solo il primo capitolo...domani ce ne saranno altri...

Molto chiaro e interessante, comunque
Una curiosità riguardo al "combustibile".
L'idrogeno come sappiamo non esiste libero in natura, per cui dovrebbe essere prodotto con altri mezzi, giusto? Sarebbe una grossa perdita di energia rispetto al totale prodotto? E poi, a che ritmo verrebbe consumato consumato?

[FreeMan]

Originariamente inviato da Lucio Virzì
Mi iscrivo

sorry ma sei fuori tempo massimo





>bYeZ<

[khri81]

ma scusate una cosa ma allora le centrali nucleari, usano la fissione nucleare giusto! che differenza c'è risp alla fusione nucleare? quale delle 2 produce maggiore energia?

[guyver]

in soldoni
con la fissione si provoca la divisione di un atomo di uranio in 2 elementi più leggeri più neutroni ed energia
col la fusione si provoca la fusione appunto di 2 atomi leggeri per es deuterio e trizio che generano elio e energia
la fusione è più redditizia della fissione

[ChristinaAemiliana]

Eccomi...adesso cerco di rispondere alle domande sul combustibile nel nuovo "capitolo"...

[ChristinaAemiliana]

Fissione e fusione

Ricavare energia dalla fusione o dalla fissione è possibile grazie all'esistenza del difetto di massa.

Come è noto, un atomo è formato da un nucleo e dagli elettroni orbitanti intorno a esso. Il nucleo di un atomo è costituito da particelle che si chiamano nucleoni. I nucleoni sono di due tipi: il protone, di carica positiva e uguale ma di segno opposto a quella dell'elettrone, e il neutrone che è privo di carica. Nel nucleo si concentra praticamente tutta la massa dell'atomo: infatti il rapporto tra la massa di un elettrone e quella di un nucleone (protone e neutrone hanno circa la stessa massa) è dell'ordine di 1:2000.

Una caratteristica importante dei nucleoni è che quando fanno parte di un nucleo hanno massa minore di quella che compete loro quando sono liberi ed in stato di quiete. Questa perdita di massa che si verifica quando i nucleoni sono uniti a formare un nucleo si chiama difetto di massa.

Il difetto di massa si verifica perché i nucleoni, quando formano un nucleo atomico, si uniscono uno all'altro creando un legame. Nel momento in cui il legame si crea viene espulsa una certa quantità di energia che si chiama energia di legame ed è misura della solidità del legame stesso, dal momento che l'energia di legame è poi la stessa che bisogna fornire se si vuole rompere il legame; quindi si può dire che più l'energia di legame è alta, più il legame tra i nucleoni (e quindi il nucleo) è stabile. Ma massa ed energia sono equivalenti secondo l'equazione di Einstein:



Quindi ecco che i nucleoni, dovendo espellere energia, lo fanno perdendo un po' della loro massa. Ecco perché esiste un difetto di massa tra i nucleoni liberi e quelli legati.

Il difetto di massa, naturalmente, varia a seconda del numero di nucleoni che si trovano nel nucleo che stiamo esaminando e quindi, in ultima analisi, varia a seconda dell'elemento e dell'isotopo considerato.

In letteratura si trovano grafici come questo, che forniscono l'energia di legame media per nucleone in funzione del numero di massa (e cioè del numero di nucleoni che si trovano nel nucleo):



I nuclei che si trovano nei dintorni del massimo della curva hanno energia di legame per nucleone più alta, quindi difetto di massa maggiore, perciò sono i più stabili.

Dopo questa necessariamente lunga premessa, si può pensare di fare un esperimento concettuale. Prendiamo dei nuclei con difetto di massa "piccolo", forniamo loro l'energia di legame riducendoli allo stato di nucleoni liberi e infine li riorganizziamo in nuclei con difetto di massa "grande". In questo modo otteniamo la liberazione di una quantità di energia pari alla differenza tra il difetto di massa "grande" e quello "piccolo". Ecco come si ricava energia dalle reazioni nucleari.

Osservando il grafico vediamo chiaramente che abbiamo due possibilità di passare da nuclei con difetto di massa "piccolo" ad altri con difetto di massa "grande": dobbiamo muoverci da nuclei "lontani" dal massimo della curva verso nuclei "vicini" al massimo. Quindi o uniamo nuclei piccoli o spezziamo nuclei grandi: la prima strada corrisponde alla fusione, la seconda alla fissione.

La resa energetica delle reazioni, intesa come energia prodotta a partire da un grammo di combustibile, si stima in 23.000 kWh/g per la fissione di uranio-235 e in 94.000 kWh/g per la fusione deuterio-trizio. Si può fare un confronto con i poteri calorifici dei più comuni combustibili, ricordando che 1 kWh equivale a 3,6 MJ.

[gpc]

Però... mica male...
Però quello che mi chiedevo io è quanto costa in termini energetici ricavare il combustibile...

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da gpc
Però... mica male...
Però quello che mi chiedevo io è quanto costa in termini energetici ricavare il combustibile...

Pazienza...il tuo nome è GP...

(Shakespeare)

[gpc]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana
Pazienza...il tuo nome è GP...

(Shakespeare)

Io ODIO avere pazienza...

(puffo Brontolone)

[jumpermax]

Originariamente inviato da gpc
Sì... e no... avrei voluto ma non ho potuto...
Ma è stato nel pomeriggio che ne avevamo parlato.
Lui ha iniziato a dire "ah! guarda qua! Il sole consuma milioni di tonnellate di idrogeno per produrre energia e noi niente! Sappiamo perfettamente come funziona la fusione e non la riusciamo a fare! " e io gli ho risposto "Ah beh, il sole, hai detto niente... Lo so che voi radicali volete sempre sostituirvi al Creatore, ma certe volte, anche solo per motivi pratici, non è facile "...

Ah diamine... ore ed ore passate ad erudirti via ICQ entrate da un orecchio e uscite dall'altro...

[gpc]

Originariamente inviato da jumpermax
Ah diamine... ore ed ore passate ad erudirti via ICQ entrate da un orecchio e uscite dall'altro...

Tu prova a passare un po' meno ore a farmi il lavaggio del cervello su ICQ e vedrai che sarò costretto a filtrate molto meno delle tue chiacchere ...

[lucio68]

Originariamente inviato da gpc
Però... mica male...
Però quello che mi chiedevo io è quanto costa in termini energetici ricavare il combustibile...

Lungi da me l'intenzione di sostituirmi a Cristina, di cui non ho certo la competenza e la preparazione, però basta una piccola ricerchina in rete per ottenere la risposta al tuo quesito.
In questo link si affronta la questione soprattutto da un punto di vista economico, ma c'è qualche accenno anche alla spesa energetica.
Nel ringraziare Cristina per la chiara ed esauriente spiegazione, avrei anch'io un paio di domandine:
- è vero, come mi sembra di aver capito, che il problema del combustibile si proporrebbe soltanto in fase di "avviamento" del reattore, mentre per il "mantenimento" si potrebbe utilizzare una piccola percentuale dell'energia prodotta per i processi di elettrolisi dell'acqua?
- avevo sentito parlare dell'utilizzo di campi energetici (o magnetici) per il contenimento del nucleo di fusione. E' ancora questa la strada o si è pensato qualcosa di diverso?

[ChristinaAemiliana]

La reazione deuterio-trizio

La reazione di fissione è relativamente semplice da realizzare: basta bombardare un atomo con neutroni abbastanza energetici e lo si spezza. In più i neutroni sono neutri e non hanno problemi ad avvicinarsi al nucleo dell'atomo, che è positivo. Esistono poi materiali detti fissili che hanno addirittura tendenza a farsi fissionare da neutroni di qualsiasi energia, anche da neutroni lenti: l'uranio-235 è uno di questi.

Per la reazione di fusione il discorso è assai più complicato. Per far sì che i nucleoni si attraggano l'un l'altro fino a legarsi in un nucleo occorre avvicinarli vincendo la repulsione elettrostatica (i protoni sono carichi positivamente, quindi si respingono). La forza di attrazione nucleare forte, che tiene uniti i nucleoni nei nuclei atomici, ha un'intensità molto maggiore di quella della forza elettrostatica che tende ad allontanare le cariche omologhe, ma il suo range d'azione è limitato: inizia a farsi sentire solo a distanze inferiori ai 10^(-15) metri, che è anche l'ordine di grandezza del raggio atomico R. Quindi occorre avvicinare i nucleoni fino a una tale distanza perché avvenga la reazione di fusione, altrimenti dominerebbe la repulsione elettrostatica e i protoni si respingerebbero allontanandosi.





Questo è il motivo per cui i plasmi da fusione termonucleare devono essere molto caldi: bisogna fornire ai nuclei l'energia necessaria per avvicinarsi vincendo la repulsione elettrostatica.



Le reazioni di fusione interessanti sono tre:



Tra queste, quella oggi ritenuta più promettente è la deuterio-trizio, anche se esiste un certo interesse anche per la deuterio-elio-3, perché ha come prodotto di reazione un protone anziché un neutrone. L'interesse risiede nel fatto che i protoni, essendo particelle cariche, sono più facili da confinare e direzionare rispetto ai neutroni che non sono influenzati dai campi elettromagnetici.

La reazione di fusione deuterio-trizio, comunemente indicata come D-T, è comunque quella sulla quale si sono concentrati studi e progetti, perché è tra tutte quella che ha maggiori probabilità di avvenire a minore energia.

La probabilità che una reazione avvenga è misurata da una grandezza detta sezione d'urto. La sezione d'urto è funzione dell'energia delle particelle reagenti. In figura sono presentate le sezioni d'urto delle tre reazioni di fusione:



E' evidente che la sezione d'urto della reazione D-T raggiunge il suo massimo molto prima delle altre (notare la scala logaritmica) e all'energia di 100 keV. In realtà basta portare il plasma all'energia media di 10 keV perché reagisca già un numero sufficiente di particelle, naturalmente quelle più veloci (la "coda" della distribuzione maxwelliana di velocità, per chi ha un'idea della statistica). Si ricorda che l'elettronvolt (eV) in fisica dei plasmi è anche un'unità di misura della temperatura e vale che 1 eV è pari a 10.000 Kelvin. Quindi i plasmi termonucleari si trovano alla temperatura di 100 milioni di gradi.

La reazione D-T produce un neutrone, una particella alfa (ossia un nucleo di elio) e 17,6 MeV di energia. Un MeV equivale a un milione di eV. In termini energetici un eV è l'energia che acquista un elettrone passando, nel vuoto, da un punto a un altro tra i quali vi sia la differenza di potenziale di 1 V. L'eV è un'unità di misura molto piccola adatta alla fisica delle particelle: vale infatti 1,6*10^(-19) J.



L'energia ricavata dalla reazione di fusione si presenta sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione. Secondo le leggi della fisica l'energia cinetica si distribuisce in maniera inversamente proporzionale alle masse dei prodotti.

La quota di energia utile è quella portata dal neutrone, che verrà fatto rallentare in una sorta di guscio esterno al reattore. Il materiale costituente il guscio si scalderà perché il neutrone, rallentando in esso, convertirà la sua energia cinetica in calore. Questa energia termica risultante verrà impiegata in maniera tradizionale allo scopo di scaldare un fluido da inviare in turbina.

La particella alfa costituisce una cenere della reazione e viene drenata dal reattore perché raffredderebbe il plasma facendo spegnere la reazione.

Come detto un grammo di combustibile D-T potrebbe produrre 100.000 kWh di elettricità. Per produrre la stessa energia sono oggi necessarie circa 8 tonnellate di carbone.



Il deuterio può essere estratto dall'acqua, in cui è abbondante (la concentrazione media è di 30 g/m^3). Il trizio, invece, è un isotopo radioattivo dell'idrogeno con tempo di dimezzamento pari a circa 12 anni, quindi non esiste in natura. Tuttavia può essere facilmente prodotto a partire dal litio, un metallo leggero che è abbondante in natura. La reazione di produzione di trizio ha come sottoprodotto l'elio, che non è radioattivo.

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da lucio68
Lungi da me l'intenzione di sostituirmi a Cristina, di cui non ho certo la competenza e la preparazione, però basta una piccola ricerchina in rete per ottenere la risposta al tuo quesito.
In questo link si affronta la questione soprattutto da un punto di vista economico, ma c'è qualche accenno anche alla spesa energetica.
Nel ringraziare Cristina per la chiara ed esauriente spiegazione, avrei anch'io un paio di domandine:
- è vero, come mi sembra di aver capito, che il problema del combustibile si proporrebbe soltanto in fase di "avviamento" del reattore, mentre per il "mantenimento" si potrebbe utilizzare una piccola percentuale dell'energia prodotta per i processi di elettrolisi dell'acqua?
- avevo sentito parlare dell'utilizzo di campi energetici (o magnetici) per il contenimento del nucleo di fusione. E' ancora questa la strada o si è pensato qualcosa di diverso?

Credo che il link che hai postato si riferisca alla produzione massiccia di idrogeno. In realtà per la fusione il problema non si pone perché ogni impianto ha bisogno di pochissimo combustibile: i combustibili di base (deuterio e litio) sufficienti a far funzionare un reattore di potenza (diciamo da 1000 MWe) per un anno possono essere trasportati comodamente in un normale camion. Non sono nemmeno materiali radioattivi quindi non è assolutamente necessaria alcuna particolare precauzione.

Quanto al confinamento magnetico sì, è ancora questa la strada più promettente nonché quella che è stata scelta per il reattore sperimentale ITER di prossima costruzione.